JP2010019216A - 排気熱回収器 - Google Patents

Abstract

【課題】 サーモアクチュエータを利用して熱回収効率を切替えるためのバルブを作動させるタイプの排気熱回収器において、内燃機関の暖機運転完了後に排気熱回収器のバルブが閉鎖したままの状態によって引き起こされるエミッションの悪化や不必要な冷媒温度の上昇を抑制する。
【解決手段】 排気熱回収器１００のサーモアクチュエータ２１５が回収側から非回収側へ動作を開始する際の熱膨張体２２１周りの冷却水温度は、サーモスタットＴＳが冷却水流路３０２を閉状態から開状態とする動作を開始する際の冷却水流路３０２における冷却水温度より低温となるように、サーモアクチュエータ２１５およびサーモスタットＴＳの作動温度が設定されている。
【選択図】図７

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスの熱を冷媒を介して回収するための排気熱回収器に関する。特に、サーモアクチュエータを利用して熱回収効率を切替えるためのバルブを作動させるタイプの排気熱回収器に関する。

従来より、自動車用エンジンの排気ガスの熱を回収する機器として、排気熱回収器が知られており、このような、排気熱回収器は、排気管の途中に設置される（例えば、特許文献１〜３を参照。）。

エンジンの排気ガスは、排気熱回収器を通過する際に、排気熱回収器を循環するエンジンの冷却水との間で熱交換を行う。排気熱回収器を循環する冷却水によって回収された排気熱は、例えば、車室内の暖房に利用される。また、エンジンの暖機運転を早期に完了させるために、エンジンの冷間時（例えばエンジンの始動初期時）に排気熱を回収して冷却水温度を急速に上昇させることにも利用される。

特許文献１に開示されている排気熱回収器は、排気熱の熱回収効率を調節するためのバルブを備えており、そのバルブはサーモアクチュエータの伸縮作動によって開閉されるようになっている。すなわち、サーモアクチュエータは排気熱回収器を循環する冷却水の温度（冷却水入口パイプ内の冷却水の温度）に応じてバルブを開閉作動させるものであり、冷却水の温度が低い場合には、バルブを閉じて排気熱の熱回収効率を高め、冷却水の温度が８０℃以上になると、バルブを開放して排気熱の熱回収効率を抑えるように作動する。このため、ＥＣＵ（電子制御ユニット）により冷却水の温度を検出してバルブの開閉制御を行う排気熱回収器と比較してコスト面、スペース効率面でのメリットが得られる。

特許文献２に開示されている排気熱回収器も、排気熱の熱回収効率を調節するためのバルブを備えており、このバルブはＥＣＵ等により駆動制御される電動モータにより開閉されるようになっている。ＥＣＵは、エンジンの冷却水温、エンジントルク、エンジン回転数等に基づいて電動モータを介して排気熱回収器のバルブの開閉制御を行う。ここで、冷却水温に着目すると、ＥＣＵは、冷却水の水温センサから把握される冷却水温に基づいて、冷却水温が比較的低いときに、バルブを閉じて排気熱の熱回収効率を高め、冷却水温が比較的高いときに、バルブを開放して排気熱の熱回収効率を抑える。

特許文献３には、エンジンの冷却水の循環経路上にエンジン、ラジエータ、排気熱回収器が接続されており、排気熱回収器の下流側配管、ラジエータの上流側配管およびエンジンの上流側配管を選択的に連通する三方弁が設けられている。この三方弁はＥＣＵ等により開閉制御され、ＥＣＵは、水温センサから把握される冷却水温が所定値未満のとき、排気熱回収器とエンジンとを連通するように三方弁を作動させ、冷却水温が所定値以上のとき、排気熱回収器とラジエータとを連通するよう三方弁を作動させる。
特開２００８−３８７２３号公報 特開２００６−２８３７１１号公報 特開２００６−８３７８４号公報

サーモアクチュエータを利用してバルブを開閉させる排気熱回収器において、エンジン始動後冷却水の温度が上昇する過程で、サーモアクチュエータが回収側から非回収側へバルブを作動させる際の冷却水の温度と、ラジエータのサーモスタットが開弁してラジエータへの冷却水の循環を開始する際の当該冷却水の温度との間に差を設けたものは未だに提案されていない。

ところが、排気熱回収器に入る冷却水の温度は、通常、エンジン循環直後の冷却水の温度よりも低温であることから、サーモスタットの作動温度と、排気熱回収器のサーモアクチュエータの作動温度とを同値（例えば８０℃）に設定すると、暖機運転が完了した後も暫くの間排気熱回収器のバルブが閉鎖したままの状態が継続することとなる。そうなると、暖機運転完了後も排気熱回収器のバルブが閉鎖したまま、車両が走行することとなり、バルブの閉鎖状態による排気抵抗の増加によって、エミッションが悪化して、エンジン出力の低下等を招くおそれがある。また、暖機完了後に不必要に冷却水の温度を上昇させ、ラジエータのクーリングファンを作動させるなどして燃費の悪化を招くおそれもある。

本発明は、かかる問題点に鑑みて創案されたものであり、サーモアクチュエータを利用して熱回収効率を切替えるためのバルブを作動させるタイプの排気熱回収器において、内燃機関の暖機運転完了後に排気熱回収器のバルブが閉鎖したままの状態によって引き起こされるエミッションの悪化や不必要な冷媒温度の上昇を抑制することを可能とした排気熱回収器を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するための手段として、本発明の排気熱回収器は、以下のように構成されている。すなわち、本発明の排気熱回収器は、内燃機関の冷媒の循環経路上に設けられたものであることを前提とし、前記内燃機関の冷媒の循環経路には、内燃機関の冷媒出口と放熱器とを接続する冷媒流路が含まれ、この冷媒流路には、同冷媒流路での冷媒温度に応じて同冷媒流路を開閉する放熱切替バルブが設けられている。また、前記排気熱回収器は、排気ガスと内燃機関の冷媒との間で熱交換を行う排気熱回収器本体と、この排気熱回収器本体を循環する内燃機関の冷媒の熱影響を受けて熱膨張体を膨張収縮させることにより、出力部を動作させるサーモアクチュエータと、前記サーモアクチュエータの出力部の動作に連動して回収側又は非回収側へ開閉される回収効率切替バルブと、を備えている。そして、前記排気熱回収器のサーモアクチュエータが回収側から非回収側へ動作を開始する際の熱膨張体周りの冷媒温度は、前記放熱切替バルブが冷媒流路を閉状態から開状態とする動作を開始する際の前記冷媒流路における冷媒温度より低温となるように、前記サーモアクチュエータおよび放熱切替バルブの作動温度が設定されている。

一般に、排気熱回収器のサーモアクチュエータの熱膨張体周りの冷媒温度は、内燃機関内を循環した直後の冷媒が流れる上記冷媒流路内の冷媒温度よりも低温である。本発明の排気熱回収器によれば、排気熱回収器のサーモアクチュエータが回収側から非回収側へ動作を開始する際の作動温度が、放熱切替バルブが冷媒流路を閉状態から開状態へする動作を開始する際の作動温度より低いため、内燃機関の暖機運転完了後、排気熱回収器のサーモアクチュエータが回収側から非回収側へ動作を開始するまでの時間が従来より短くなり、エミッションの悪化や不必要な冷媒水温の上昇が抑制される。

また、本発明の排気熱回収器は、以下のように構成されていることが更に望ましい。すなわち、本発明の排気熱回収器は、上記構成において、前記サーモアクチュエータが回収側から非回収側へ動作を開始するタイミングと、前記放熱切替バルブが前記冷媒流路を閉状態から開状態とする動作を開始するタイミングと、が同期するように、前記放熱切替バルブおよびサーモアクチュエータの作動温度が設定されている。なお、上記同期した動作には、数秒程度の前後した動作も含まれるものとする。

かかる構成を備える排気熱回収器によれば、内燃機関の暖機運転完了と略同時に、排気熱回収器のサーモアクチュエータが回収側から非回収側へ動作を開始するため、エミッションの悪化や不必要な冷媒温度の上昇が大幅に抑制される。

また、本発明の排気熱回収器は、以下のように構成されていてもよい。すなわち、本発明の排気熱回収器は、上記何れかの構成において、前記排気熱回収器本体への冷媒導入流路は、排気熱回収器本体より一定範囲斜め下方又は下方に延出した上り流路を有しており、前記排気熱回収器本体からの冷媒排出流路は、前記排気熱回収器本体より一定範囲下り勾配を形成しないものであり、前記サーモアクチュエータの熱膨張体は、前記上り流路の冷媒又は前記上り流路の上流側の冷媒の熱影響を受けて膨張収縮するように設けられている。

かかる構成を備える排気熱回収器によれば、内燃機関の停止後に冷媒の循環が止まり、排気熱回収器本体の蓄熱により局所的に高温となった冷媒が発生しても、自然対流が促される。つまり、高温となった冷媒は、排気熱回収器本体から冷媒排出流路を通じて排出され、排気熱回収器本体から上り流路を通じてサーモアクチュエータの熱膨張体周りに逆流することが抑制される。この結果、内燃機関停止後に排気熱回収器本体内からサーモアクチュエータの熱膨張体周りに高温となった冷媒が流れ込むことにより、サーモアクチュエータが異常動作を起こすことを抑制することができる。

本発明に係る排気熱回収器によれば、内燃機関の暖機運転完了後、排気熱回収器のサーモアクチュエータが回収側から非回収側へ動作を開始するまでの時間が従来より短くなり、エミッションの悪化が抑制される。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１〜図４は本発明の実施の形態における、排気熱回収器１００を示している。この排気熱回収器１００は、例えば自動車のエンジンなどの排気系の一部を構成するものとして設置される。図１は排気熱回収器１００の側面図、図２は排気熱回収器１００の平面図、図３は図１のＡ−Ａ断面図、図４は排気熱回収器１００の縦断面図である。

＜排気熱回収器の説明＞
排気熱回収器１００は、内筒部１０２、回収効率切替バルブ１０３、冷却水流路１０４ａ、１０４ｂ、熱回収排気ガス流路１０５ａ、１０５ｂ、外筒部１０６、後述するバルブ開閉装置などで主に構成されている。内筒部１０２、冷却水流路１０４ａ、１０４ｂ、熱回収排気ガス流路１０５ａ、１０５ｂおよび外筒部１０６は、排気熱回収器本体Ｘを構成しており、この排気熱回収器本体Ｘによって排気ガスとエンジンの冷却水（冷媒）との間で熱交換が行われる。

内筒部１０２の排気系上流側（以下単に「上流側」という。）端部には、上流側の構成部材に接続され、上流側から排気ガスが導入される排気ガス導入口１０２ａが形成されている。一方、内筒部１０２の排気系下流側（以下単に「下流側」という。）端部の開口部１０２ｂには、バルブ受座１０２ｃが形成されている。このバルブ受座１０２ｃに回収効率切替バルブ１０３が嵌脱自在に嵌まり込んで内筒部１０２の開口部１０２ｂが開閉される。また、内筒部１０２の下流側（回収効率切替バルブ１０３より少し上流側）には、内筒部１０２の内外空間を連通する多数の連通孔１０２ｄが形成されている。

冷却水流路１０４ａ、１０４ｂおよび熱回収排気ガス流路１０５ａ、１０５ｂは、内筒部１０２と外筒部１０６との間に形成されている。つまり、内筒部１０２より外側に向かって順に、内側熱回収排気ガス流路１０５ａ、内側冷却水流路１０４ａ、外側熱回収排気ガス流路１０５ｂおよび外側冷却水流路１０４ｂが形成されている。内側冷却水流路１０４ａと外側冷却水流路１０４ｂとは複数箇所において連通部Ｈにより冷却水（冷媒）が流通可能なように連通されている。

外筒部１０６は、外側冷却水流路１０４ｂの外周壁を構成するとともに、回収効率切替バルブ１０３の配置箇所より更に下流側へ延出している。外筒部１０６の下流側端部には、この排気熱回収器１００の下流側の排気系構成部材と接続され、外筒部１０６内を通過した排気ガスを排出する排出口１０６ａが形成されている。なお、外筒部１０６の上流側端部と内筒部１０２の外周面との間は閉塞部材１０９によって、内筒部１０２の外周面と内側冷却水流路形成部材１０７の下流側端部との間は閉塞部材１１０によって、それぞれ閉塞されており、導入された排気ガスが所望の流路へ案内されるようになっている。

外筒部１０６には、回収効率切替バルブ１０３を開閉するためのバルブシャフト２０１が貫通している。外筒部１０６のバルブシャフト２０１の貫通部およびその近傍には、図３に示すような、内方に向ってくびれたくびれ部１０６Ａが形成されている。

一方、図１および図２に示すように、外筒部１０６の側底部には、内側冷却水流路１０４ａおよび外側冷却水流路１０４ｂに連通し、これら冷却水流路１０４ａ，１０４ｂに冷却水を導入する冷却水導入用配管１１３が接続されている。この冷却水導入用配管（冷媒導入流路）１１３は、排気熱回収器１００が車両に搭載された状態で、外筒部１０６（排気熱回収器本体Ｘ）より一定範囲斜め下方（一定範囲下方であってもよい。）に延出しており、この範囲内では、冷却水は斜め上方に向かって流れるようになっている（以下、上記延出範囲を「上り流路１１３ａ」という。また、外筒部１０６の上部には、外側冷却水流路１０４ｂに連通し、加熱された冷却水を排出するための冷却水排出用配管（冷媒排出流路）１１４が接続されている。この冷却水排出用配管１１４は外筒部１０６（排気熱回収器本体Ｘ）の上部から一定範囲下り勾配を形成することなく設けられている。本実施の形態では、冷却水排出用配管１１４は外筒部１０６（排気熱回収器本体Ｘ）の上部から後述するＥＧＲクーラまで下り勾配を形成することなく設けられている。

このような、上り流路１１３ａと、下り勾配を持たない冷却水排出用配管１１４とによれば、エンジンの停止後に冷却水の循環が止まり、排気熱回収器本体Ｘの蓄熱により局所的に（特に内筒部１０２に近い部分）高温となった冷却水（沸点に近い冷却水）が発生しても、自然対流が促される。つまり、高温となった冷却水は、排気熱回収器本体Ｘから冷却水排出用配管１１４を通じて排出され、排気熱回収器本体Ｘから上り流路１１３ａを通じて後述するサーモアクチュエータ２１５の熱膨張体２２１周りに逆流することが抑制される。この結果、エンジン停止後に排気熱回収器本体Ｘ内からサーモアクチュエータ２１５の熱膨張体２２１周りに高温となった冷却水が流れ込むことにより、サーモアクチュエータ２１５が異常動作を起こすことを防止することができる。

つぎに、排気熱回収器１００において行われる排気ガスの熱回収について簡単に説明する。

エンジンから排出された排気ガスが内筒部１０２内を流れているときに、回収効率切替バルブ１０３が閉じられると、内筒部１０２を通過していた排気ガスは、図４の矢印に示すように、連通孔１０２ｄを通過して、内側熱回収排気ガス流路１０５ａへ導入され矢印の方向へ向かって流れる。内側熱回収排気ガス流路１０５ａを流れる排気ガスは、内側冷却水流路１０４ａ内の冷却水との間で熱交換を行った後、閉塞部材１０９内で反転して外側熱回収排気ガス流路１０５ｂへ導入される。同様に、外側熱回収排気ガス流路１０５ｂ内を流れる排気ガスも、内側冷却水流路１０４ａおよび外側冷却水流路１０４ｂ内の冷却水との間で熱交換を行いつつ、外側熱回収排気ガス流路１０５ｂを通り抜ける。その後、排気ガスは、外筒部１０６の排出口１０６ａに接続された下流側の排気系構成部材へと排出される。

冷却水導入用配管１１３から冷却水流路１０４ａ、１０４ｂ内に導入された冷却水は、熱回収排気ガス流路１０５ａ、１０５ｂを流れる排気ガスとの熱交換によって加熱され、冷却水排出用配管１１４から排気熱回収器１００の外へ排出される。

排気熱回収器１００で排気ガスの熱を回収しない場合や排気熱回収器１００で回収する熱量を抑える場合は回収効率切替バルブ１０３が開放される。回収効率切替バルブ１０３が開放されると、内筒部１０２の連通孔１０２ｄを通じて、内側熱回収排気ガス流路１０５ａへ導かれていた排気ガスの大部分が、内筒部１０２の下流側の開口部１０２ｂを通過して、外筒部１０６の排出口１０６ａから下流側の排気系構成要素へ排出される。その結果、熱回収排気ガス流路１０５ａ、１０５ｂに導入される排気ガスは、大幅に減少し、回収される排気ガスの熱量が低減される。

＜排気熱回収器の回収効率切替バルブの開閉装置＞
つぎに、排気熱回収器１００の回収効率切替バルブ１０３の開閉装置について説明する。排気熱回収器１００の回収効率切替バルブ１０３は、サーモアクチュエータ２１５の駆動力が後述するロッド２１３および動力伝達機構を介して伝達されることにより開閉動作するようになっている。

上記サーモアクチュエータ２１５は、図５に示すように、熱膨張体２２１、熱膨張体ケース２２２、受圧部材２２３、出力ピストン部２２４、オーリング２２５等を備えており、排気熱回収器本体Ｘを循環する冷却水（冷媒）の熱影響を受けて熱膨張体２２１を膨張収縮させることにより出力ピストン部２２４を伸縮させる。なお、熱膨張体２２１および熱膨張体ケース２２２は、前記上り流路１１３ａの上流側の冷却水の熱影響を受けて膨張収縮するように設けられている。

熱膨張体２２１には、例えばワックスが使用される。

熱膨張体ケース２２２は、熱膨張体２２１を密閉内蔵している。熱膨張体ケース２２２には、例えば、ステンレス鋼等の熱伝導性および耐食性に優れた材料が使用されることが望ましい。また、熱膨張体ケース２２２の外周部には、オーリング溝２２２ａが形成され、そこにオーリング２２５が装着されている。

受圧部材２２３には、出力ピストン部２２４を内蔵したゴム等の可撓性材料が使用されている。この受圧部材２２３は、熱膨張体２２１内に配置されており、熱膨張体２２１の膨張収縮に伴って変形し、出力ピストン部２２４を軸線方向へ移動させる。すなわち、熱膨張体２２１が膨張すると、受圧部材２２３は、熱膨張体２２１の圧力上昇によって変形して、出力ピストン部２２４を伸長（図中右側へ前進移動）させる。一方、熱膨張体２２１が収縮すると、受圧部材２２３は、熱膨張体２２１の圧力低下によって変形して、出力ピストン部２２４を収縮（図中左側へ移動）させる。

出力ピストン部２２４は、サーモアクチュエータ２１５の出力部であり、上記受圧部材２２３に内蔵されている。この出力ピストン部２２４の先端部２２４ａは、図示するように、軸線方向へ略半球状に膨出した形状をしている。

以上に説明した、サーモアクチュエータ２１５は、第１ケース２１８に嵌挿収容されている。この第１ケース２１８は、筒体からなり、その一方の開口部は、サーモアクチュエータ２１５を出し入れ可能な第１ケース開口部２１８ｃとなっており、他方の開口部は、冷却水導入用配管１１３から冷却水を導入する冷却水導入口２１８ａとなっている。また、第１ケース開口部２１８ｃの遠心側には、フランジ部２１８ｄが形成されており、図１および図２に示すように、第１ケース２１８は、このフランジ部２１８ｄを介して、後述する第２ケース２１９および外筒部１０６に固定されている。

第１ケース２１８は、冷却水導入用配管１１３の途中位置（上り流路１１３ａの上流側）に設けられており、排気熱回収器１００を循環する冷却水が第１ケース２１８内を通過するようになっている。上り流路１１３ａの下流端部は冷却水流路１０４ａ，１０４ｂ内に通じている。なお、図１、図２、図５等においては、冷却水導入用配管１１３の第１ケース２１８より上流側は水平ないし登り勾配となっているが、これを第１ケース２１８より一定範囲で下り勾配とし、第１ケース２１８が登り流路１１３ａの途中に位置するような構造としてもよい。つまり、熱膨張体２２１および熱膨張体ケース２２２は、エンジン停止時に排気熱回収器本体Ｘの蓄熱により高温となった冷却水の悪影響を受けない場所に設置されていればよく、熱膨張体２２１および熱膨張体ケース２２２が熱影響を受ける冷却水は、上り流路１１３ａの下流側の冷却水であっても上り流路１１３ａの途中位置の冷却水であってもよい。

第１ケース２１８の冷却水導入口２１８ａには、エレメント係止部材２２７が固設されている。このエレメント係止部材２２７は、サーモアクチュエータ２１５の熱膨張体ケース２２２の軸線方向（図中左側）への移動を係止する。エレメント係止部材２２７は、多孔を有しているため、冷却水導入口２１８ａから導入される冷却水は、エレメント係止部材２２７の多孔を通過して第１ケース２１８内に流入するようになっている。

排気熱回収器本体Ｘを循環する冷却水は、排気熱回収器本体Ｘに入る前に第１ケース２１８に冷却水導入口２１８ａより導入され、熱膨張体ケース２２２の周囲に充填される。冷却水はこの熱膨張体ケース２２２を介して熱膨張体２２１に熱影響を及ぼした後、冷却水排出口２１８ｂから外筒部１０６内の冷却水流路１０４ａ，１０４ｂへ送出される。なお、第１ケース２１８の冷却水導入口２１８ａより導入された冷却水は、オーリング２２５によって第１ケース開口部２１８ｃから外に漏出しないようになっている。

上記ロッド２１３は、例えば図５に示すように、その基端部の軸線近傍に、出力ピストン部２２４によって押圧される押圧部２１３ａが形成されている。この押圧部２１３ａは、軸線方向へ錐状に窪んだ形状をしている。これにより、出力ピストン部２２４が軸線上で押圧部２１３ａを押圧し易くなっている。更に、ロッド２１３の基端部の遠心側には、フランジ状に延在したスプリング係合部２１３ｂが形成されている。

上記ロッド２１３は、サーモアクチュエータ２１５の出力ピストン部２２４の伸縮動作に連動するように設けられている。すなわち、サーモアクチュエータ２１５の出力ピストン部２２４の先端部２２４ａによって、ロッド２１３の押圧部２１３ａが押圧可能な位置に配置されており、さらに、ロッド２１３をサーモアクチュエータ２１５の出力ピストン部２２４側へ押圧する押圧部材として圧縮コイルスプリング２２８（以下単に「コイルスプリング２２８」という。）が設けられている。

上記ロッド２１３およびコイルスプリング２２８は、第２ケース２１９内に設けられている。第２ケース２１９も、筒体で構成され、その一方の開口部は、ロッド２１３およびコイルスプリング２２８を出し入れ可能な第２ケース開口部２１９ａとなっており、他方の開口部はロッド２１３の貫通孔２１９ｄ（以下「ロッド貫通孔２１９ｄ」という。）となっている。

第２ケース開口部２１９ａの周囲には、第１ケース２１８に固定するためのフランジ部２１９ｂが設けられており、このフランジ部２１９ｂと第１ケース２１８のフランジ部２１８ｄとがシールガスケット２２０を挟んでボルト２２６ａおよびナット２２６ｂ等の締結具によって締結固定されている。

上記コイルスプリング２２８は、一端部がロッド２１３の基端部側に形成されたスプリング係合部２１３ｂに係合され、他端部が第２ケース２１９のロッド貫通孔２１９ｄの内側に設けられたスプリングリテーナ２１９ｃに係合されている。

なお、第２ケース２１９のロッド貫通孔２１９ｄには、ラバーシール２３０が設置され、ロッド２１３がこのラバーシール２３０を貫通している。これにより、ロッド２１３と第２ケース２１９のロッド貫通孔２１９ｄとの隙間が埋められ、第２ケース２１９の外から第２ケース２１９内への粉塵等の侵入の防止が図られている。

上記動力伝達機構は、ロッド２１３の先端部２１３ｃに押圧されて排気熱回収器１００に設けられている回収効率切替バルブ１０３を開側へ動作させるものである。この動力伝達機構は、回収効率切替バルブ１０３を開閉作動させるために軸線回りに回動する回収効率切替バルブ１０３が固定されたバルブシャフト２０１、このバルブシャフト２０１に固設されたシャフトレバー２１４などで構成されている。

図３に示すように、回収効率切替バルブ１０３の一側部は、バルブシャフト２０１にビスなどの固定具２０２にて固定されており、バルブシャフト２０１が正逆方向へ回転されることにより、回収効率切替バルブ１０３は外筒部１０６内で開閉動作を行うようになっている。

バルブシャフト２０１は、その一端側が斜め下方に向かって外筒部１０６を貫通している。バルブシャフト２０１は、外筒部１０６のくびれ部１０６Ａ，１０６Ａ間に架設されたシャフトケース２０３内に収容されており、シャフトケース２０３内の両端付近に固定された軸受２０４，２０４，２０５に回転自在に支持されている。なお、シャフトケース２０３も外筒部１０６を貫通している。また、シャフトケース２０３の中間部には、回収効率切替バルブ１０３の可動領域を確保するための窓部２０３ａが形成されている。

軸受２０４，２０４の間には、排気ガスの漏出を抑えるラビリンス２０６が嵌め込み装着されている。一方、シャフトケース２０３の斜め上方の開口は、密閉キャップ２０７により密閉され、排気ガスが外筒部１０６から上記開口を通じて外へ漏出しないようになっている。

シャフトケース２０３およびバルブシャフト２０１の斜め下端側の周囲には、バルブシャフト２０１を、回収効率切替バルブ１０３が閉塞する方向へ回転付勢するねじりコイルスプリング２０９（以下単に「コイルスプリング２０９」という。）が配設されている。このコイルスプリング２０９の一端はシールド２１０に係合され、他端はバルブシャフト２０１の露出部２０１ａの先端に固設されたばね係合部２１１（図５参照）に係合されている。なお、上記シールド２１０は、コイルスプリング２０９およびシャフトレバー２１４を覆ってこれらを撥ね泥、撥ね水などから保護するものである。

上記バルブシャフト２０１の斜め下端部には、シャフトレバー２１４が固設されている。このシャフトレバー２１４は、ロッド２１３の先端部２１３ｃによって押圧可能な位置に配設され、ロッド２１３の軸線方向押圧力を受けると、ロッド２１３の移動量に応じてバルブシャフト２０１および回収効率切替バルブ１０３が開側へ回転するようになっている。このシャフトレバー２１４としては、カム状のものが使用されている。

＜回収効率切替バルブの動作説明＞
以下、排気熱回収器１００を循環する冷却水の温度に応じて開閉する回収効率切替バルブ１０３の動作原理について説明する。

排気熱回収器１００を循環する冷却水は、第１ケース２１８の冷却水導入口２１８ａより、第１ケース２１８内に導入され、熱膨張体ケース２２２を介して熱膨張体２２１に熱影響を及ぼす。

冷却水の温度上昇過程では、熱膨張体２２１の温度も上昇し、熱膨張体２２１は膨張するため、出力ピストン部２２４が伸長する。そして、図６に示すように、出力ピストン部２２４は、ロッド２１３の押圧部２１３ａを押圧してロッド２１３を第２ケース２１９から伸長させる。ロッド２１３が伸長することで、ロッド２１３の先端部２１３ｃは、コイルスプリング２０９の付勢力に抗してシャフトレバー２１４を押圧し、シャフトレバー２１４およびバルブシャフト２０１を回転させる。このバルブシャフト２０１の回転に伴って回収効率切替バルブ１０３は開側（非回収側）へ動作する。なお、シャフトレバー２１４の形状（カム形状）は、排気熱回収器１００の熱回収効率が冷却水の温度に応じて最適な値となるように設定されている。

回収効率切替バルブ１０３の開動作が開始すると、内筒部１０２へ導入され、連通孔１０２ｄから熱回収排気ガス流路１０５ａ、１０５ｂに迂回していた排気ガスは、次第に内筒部１０２を通過する割合を増し、遂にはその大部分が内筒部１０２を通過する。その結果、排気ガスの熱回収率は低下する。

一方、冷却水の温度下降過程では、熱膨張体２２１の温度も下降し、熱膨張体２２１は収縮するため、出力ピストン部２２４が収縮する。そして、ロッド２１３は、コイルスプリング２２８の押圧力によって第２ケース２１９内に収縮し、ロッド２１３の押圧力が解消されたシャフトレバー２１４およびバルブシャフト２０１は、コイルスプリング２０９の付勢力によって閉側（回収側）へ動作する。回収効率切替バルブ１０３の閉動作が開始すると、内筒部１０２へ導入された排気ガスは、次第に連通孔１０２ｄを通過する割合を増し、遂には、その大部分が連通孔１０２ｄを通過する。連通孔１０２ｄを通過した排気ガスは、更に、熱回収排気ガス流路１０５ａ、１０５ｂを順に通過した後、外筒部１０６内で排出口１０６ａ側へ向って流路を形成する。その結果、排気ガスの熱回収効率は上昇する。

＜冷却水の循環経路＞
つぎに、図７に基づいて、エンジンＥの冷却水の循環経路３００およびその経路上に設けられた機器について説明する。冷却水の循環経路３００上には、排気熱回収器１００、エンジンＥ、ラジエータＲ、ヒータコアＨ、ＥＧＲクーラＣ、サーモスタットＴＳ、ウォータポンプＷＰ等が設けられている。

エンジンＥには、その冷却水入口Ｅ１に接続された第１冷却水流路３０１から冷却水が導入される。エンジンＥ内に導入された冷却水は、シリンダ外周（不図示）やバルブまわりに設けられたウォータジャケット（不図示）を循環して冷却水出口Ｅ２，Ｅ３より排出される。冷却水出口Ｅ２には、ウォータポンプＷＰの吸入口が設けられている。ウォータポンプＷＰの吐出口とラジエータＲの導入口とは、第２冷却水流路３０２によって接続されている。ラジエータＲは、周知の通り、冷却水によって回収されたエンジンＥの熱を放熱する放熱器である。このラジエータＲのフロー方式は、ダウンフロー式、クロスフロー式など、何れであってもよい。

上記第２冷却水流路３０２の途中位置には、ラジエータバイパス流路３０３が分岐しており、更に、この分岐点３０４にサーモスタットＴＳが設けられている。このサーモスタットＴＳは、冷却水の温度に応じて作動する。すなわち、サーモスタットＴＳは、分岐点３０４における冷却水の温度が所定の作動温度Ｔ１以上のとき、第２冷却水流路３０２を開状態としてエンジンＥとラジエータＲとを連通すると同時に、第２冷却水流路３０２とラジエータバイパス流路３０３とを閉状態（不通）とする。これにより、ラジエータＲに冷却水が循環して、放熱が行われる。一方、サーモスタットＴＳは、分岐点３０４における冷却水の温度が所定の作動温度Ｔ１未満のとき、第１冷却水流路３０２を分岐点３０４で閉状態としてエンジンＥとラジエータＲとを不通にすると同時に、第２冷却水流路３０２のエンジンＥ側とラジエータバイパス流路３０３とを分岐点３０４で連通する。これにより、ラジエータＲへの冷却水の循環が停止し、冷却水の放熱も停止する。

上記冷却水出口Ｅ３には、ヒータコアＨに通じる第３冷却水流路３０５が接続されている。ヒータコアＨは、冷却水の熱を暖房用に回収する熱交換器の１つである。エンジンＥの冷却水排出口Ｅ３から排出された冷却水は、第３冷却水流路３０５を経て、ヒータコアＨ内に導入され、ヒータコアＨ内で熱交換が行われる。ヒータコアＨは冷却水から奪った熱を暖房用温風の生成に利用する。

ヒータコアＨの下流側は、第４冷却水流路３０６（一部は冷却水導入用配管１１３で構成されている）を介して排気熱回収器１００の上流側と接続されている。

排気熱回収器１００の下流側は、第５冷却水流路３０７（一部は冷却水排出用配管１１４で構成されている）を介してＥＧＲクーラＣの上流側と接続されている。ＥＧＲクーラＣは、エンジンＥの吸気系に還流させる排気ガス（以下「ＥＧＲガス」という。）が通過するＥＧＲ通路（不図示）上に設けられており、冷却水はＥＧＲクーラＣを通る際に、ＥＧＲガスと熱交換を行う。

ＥＧＲクーラＣの下流側は、第６冷却水流路３０８を介してウォータポンプＷＰの吸入側に接続されている。

つぎに、エンジンの冷却水の循環経路３００およびその経路上に設けられた機器の動作について説明する。なお、排気熱回収器１００のサーモアクチュエータ２１５が回収側から非回収側へ動作を開始するタイミングと、サーモスタットＴＳが第２冷却水流路３０２を閉状態から開状態にする動作を開始するタイミングとが同期するように、サーモアクチュエータ２１５およびサーモスタットＴＳの作動温度が設定されている。

まず、エンジンＥを停止して十分な時間が経過しており、冷却水温度も十分に低温となっている状態でエンジンＥを始動する。このとき、排気熱回収器１００のサーモアクチュエータ２１５は、回収側へ作動して回収効率切替バルブ１０３は全閉状態となっている。また、サーモスタットＴＳは、第１冷却水流路３０２を分岐点３０４で閉鎖してエンジンＥとラジエータＲとを不通にするとともに、分岐点３０４で第２冷却水流路３０２のエンジンＥ側とラジエータバイパス流路３０３とを開状態として連通している。

このような状態において、冷却水は図８の矢印に示すように循環する。すなわち、エンジンＥによって駆動されるウォータポンプＷＰにより、第１冷却水流路３０２に吐出された冷却水は、第１冷却水流路３０２の分岐点３０４を経由して、ラジエータバイパス流路３０３、第１冷却水流路３０１のエンジンＥ側、エンジンＥを順に循環し、再びウォータポンプＷＰの吸入側に還流する。また、エンジンＥ内を循環する冷却水の一部は、冷却水循環出口Ｅ３から第３冷却水流路３０５、ヒータコアＨ、第４冷却水流路３０６、排気熱回収器１００、第５冷却水流路３０７、ＥＧＲクーラＣ、第６冷却水流路３０８を順に循環し、ウォータポンプＷＰの吸入側へ還流する。

このとき、排気熱回収器１００の回収効率切替バルブ１０３は回収側となっているため（閉鎖しているため）、排気熱回収器本体Ｘにおいて、排気ガスと冷却水との間で熱交換が最大限に行われる。その結果、冷却水の温度上昇が促され、暖機運転が早期に完了する。

冷却水温度が上昇し、分岐点３０４での冷却水温度がサーモスタットＴＳの作動温度Ｔ１になると（暖機運転完了時）、サーモスタットＴＳは、エンジンＥおよびラジエータＲ間の第２冷却水流路３０２を不通状態（閉状態）から通状態（開状態）となる切替動作を開始する。この結果、図９の矢印に示すように、冷却水は循環する。すなわち、エンジンＥによって駆動されるウォータポンプＷＰにより、第１冷却水流路３０２に吐出された冷却水は、第１冷却水流路３０２を順に経てラジエータＲで放熱を行い、更に第１冷却水流路３０１、エンジンＥを順に経て、再びウォータポンプＷＰの吸入側に還流する。また、エンジンＥ内を循環する冷却水の一部は、冷却水循環出口Ｅ３から第３冷却水流路３０５、ヒータコアＨ、第４冷却水流路３０６、排気熱回収器１００、第５冷却水流路３０７、ＥＧＲクーラＣ、第６冷却水流路３０８を経てウォータポンプＷＰの吸入側へ還流する。

また、分岐点３０４での冷却水温度がサーモスタットＴＳの作動温度Ｔ１になるとき、第３冷却水流路３０５、ヒータコアＨ、第４冷却水流路３０６などにおける放熱を経て、サーモアクチュエータ２１５の熱膨張体２２１周りに流れ込んだ冷却水の温度は、上記温度Ｔ１より低温（例えば、５℃〜１５℃低温）である温度Ｔ２となる。そして、サーモアクチュエータ２１５は、熱膨張体２２１周りの冷却水温度が温度Ｔ２になると、回収側から非回収側へ動作を開始し、回収効率切替バルブ１０３が開放される。回収効率切替バルブ１０３が開放されると、排気熱回収器本体Ｘでの熱回収効率が低下し又は殆どゼロとなり、排気熱回収器本体Ｘを通過する冷却水はほとんど昇温されずに、冷却水温度が不必要に上昇してしまうことが抑制される。

以上の説明から明らかなように、本発明の実施の形態に係る排気熱回収器１００によれば、暖機運転完了後に排気熱回収器１００の回収効率切替バルブ１０３が回収側になった状態が暫く続いてエミッションを悪化させたり、不必要に冷却水温度を上昇させてしまうことを抑制することができる。

ところで、暖機運転が完了する前、つまり、第２冷却水流路での冷却水温度が温度Ｔ１に達する前に、排気熱回収器１００のサーモアクチュエータ２１５を回収側から非回収側へ動作させて、回収効率切替バルブ１０３が開放すると、排気熱回収器１００が放熱器として働き、暖機運転の完了を遅延させてしまうおそれがある。すなわち、排気熱回収器１００は、通常、車床下に配置されていることから、暖機運転完了前に、回収効率切替バルブ１０３を開放した状態で車両を走行させると、排気熱回収器１００が放熱器として働き、暖機運転の完了を遅延させてしまう。

しかし、本発明の実施の形態に係る排気熱回収器１００によれば、サーモスタットＴＳが第２冷却水流路３０２を閉状態から開状態にする動作を開始するタイミングと、排気熱回収器１００のサーモアクチュエータ２１５を回収側から非回収側へ動作を開始するタイミングとが同期しているので、そのような不都合の発生を抑制することができる。

また、サーモアクチュエータ２１５の熱膨張体２２１は、上流側直近の他の熱交換器であるヒータコアＨと、排気熱回収器本体Ｘとの間を流れる冷却水（より特定的には、排気熱回収器本体Ｘへ入る直前の冷却水）の熱影響を受けてその熱膨張体２２１を膨張収縮させるように設けられている。したがって、サーモアクチュエータ２１５は、排気熱回収器本体Ｘによる温度外乱の影響を受けることがなく、安定的に作動するため、サーモアクチュエータ２１５とサーモスタットＴＳとの同期動作も安定的に実行される。

本発明は、エンジンの排気系に設けられる排気熱回収器において、サーモアクチュエータの駆動によってそのバブルを開閉する排気熱回収器に適用することが可能である。

本発明の実施の形態における排気熱回収器の側面図である。 本発明の実施の形態における排気熱回収器の平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施の形態における排気熱回収器の縦断面図である。 サーモアクチュエータおよびその周囲部等を示した断面図であって、ロッドが第２ケース内に収縮した状態を示したものである。 サーモアクチュエータおよびその周囲部等を示した断面図であって、ロッドが第２ケースから伸長した状態を示したものである。 エンジンの冷却水の循環経路およびその経路上に設けられた機器を示した図である。 エンジンの冷却水の循環経路およびその経路上に設けられた機器を示した図であって、暖機運転中の冷却水の流れおよび排気熱回収器の状態を示したものである。 エンジンの冷却水の循環経路およびその経路上に設けられた機器を示した図であって、暖機運転完了後の冷却水の流れおよび排気熱回収器の状態を示したものである。

符号の説明

Ｅ エンジン（内燃機関）
Ｅ２ 冷却水出口（冷媒出口）
Ｈ ヒータコア（上流側直近の他の熱交換器）
Ｒ ラジエータ（放熱器）
ＴＳ サーモスタット（放熱切替バルブ）
Ｘ 排気熱回収器本体
１００ 排気熱回収器
１０３ 回収効率切替バルブ
１１３ 冷却水導入用配管（冷媒導入流路）
１１４ 冷却水排出用配管（冷媒排出流路）
１１３ａ 上り流路
２１５ サーモアクチュエータ
２２１ 熱膨張体
２２４ 出力ピストン部（出力部）
３００ エンジン冷却水の循環経路（内燃機関の冷媒の循環経路）
３０２ 第２冷却水流路（内燃機関の冷媒出口と放熱器とを接続する冷媒流路）

Claims (3)

1. 内燃機関の冷媒の循環経路上に設けられた排気熱回収器であって、
   前記内燃機関の冷媒の循環経路には、内燃機関の冷媒出口と放熱器とを接続する冷媒流路が含まれており、この冷媒流路には、同冷媒流路での冷媒温度に応じて同冷媒流路を開閉する放熱切替バルブが設けられており、
   前記排気熱回収器は、排気ガスと内燃機関の冷媒との間で熱交換を行う排気熱回収器本体と、この排気熱回収器本体を循環する内燃機関の冷媒の熱影響を受けて熱膨張体を膨張収縮させることにより、出力部を動作させるサーモアクチュエータと、前記サーモアクチュエータの出力部の動作に連動して回収側又は非回収側へ開閉される回収効率切替バルブと、を備え、
   前記排気熱回収器のサーモアクチュエータが回収側から非回収側へ動作を開始する際の熱膨張体周りの冷媒温度は、前記放熱切替バルブが冷媒流路を閉状態から開状態とする動作を開始する際の前記冷媒流路における冷媒温度より低温となるように、前記サーモアクチュエータおよび放熱切替バルブの作動温度が設定されている、
   ことを特徴とする排気熱回収器。
2. 請求項１に記載の排気熱回収器において、
   前記サーモアクチュエータが回収側から非回収側へ動作を開始するタイミングと、前記放熱切替バルブが前記冷媒流路を閉状態から開状態とする動作を開始するタイミングと、が同期するように、前記放熱切替バルブおよびサーモアクチュエータの作動温度が設定されている、
   ことを特徴とする排気熱回収器。
3. 請求項１又は２に記載の排気熱回収器において、
   前記排気熱回収器本体への冷媒導入流路は、排気熱回収器本体より一定範囲斜め下方又は下方に延出した上り流路を有しており、前記排気熱回収器本体からの冷媒排出流路は、前記排気熱回収器本体より一定範囲下り勾配を形成しないものであり、
   前記サーモアクチュエータの熱膨張体は、前記上り流路の冷媒又は前記上り流路の上流側の冷媒の熱影響を受けて膨張収縮するように設けられている、
   ことを特徴とする排気熱回収器。

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